1.3. Теплоносители

Теплоносители классифицируют по назначению, агрегатному состоянию и диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению выделяют греющий теплоноситель, охлаждающий теплоноситель, или хладоноситель, промежуточные тепло- и хладоносители, хладагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т. п. По агрегатному состоянию различают однофазные и многофазные (чаще двухфазные) теплоносители. К однофазным относятсянизкотемпературная плазма (пламя); газы, неконденсирующиеся пары,смеси газов и неконденсирующихся паров; не кипящие и не испаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси, растворы; твердые материалы (чаще сыпучие). К двухфазным и многофазным теплоносителям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидко­сти, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси при конденсации со­держащихся в них паров; плавящиеся и затвердевающие, возгоняющие­ся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли и другие запыленные газовые потоки; эмульсии, суспензии, шламы, пасты и прочие реологически сложные системы [41].

Таблица 1.1. Характеристики некоторых высокотемпературных теплоносителей

		Температура, °С
Теплоноситель	имическая формула	плавления	кипения
		при атмосферном давлении
Минеральные масла (трансформаторное и др.)	_	—20 / —30	300—500
Нафталин	С10Н8	80,2	218
Дифенил	С12Н10	67	255
Дифениловый эфир	С12Н100	27	259
Дифенильная- смесь (ВОТ)*		12	258
Глицерин	С2Н8О8	— 18,6	290
Кпемнийорганические соединения (силиконы)	—	- 30 / —40	440
Нитритнитратная смесь	—	143	550
Натрий	. —	97,8	883
Сплав натрия и калия	—	—11	784

* 73,5% С₁₂Н₁₀0 +26,5% С₁₂Н₁₀

По диапазону рабочих температур выделяют высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные теплоносители и теплоносители, применяемые при криогенных температурах. К высокотемпера­турным газообразным теплоносителям относят дымовые или топочные газы. Их температура может достигать 1500 °С. К высокотемператур­ным теплоносителям в виде капельных жидкостей принято относить вещества, температура кипения которых при атмосферном давлении превышает 200 °С. Это минеральные масла, кремнийорганические и дифенильные соединения, расплавы солей и жидкие металлы (табл. 1.1). К среднетемпературным теплоносителям в первую очередь относят во­дяной пар, воду и воздух. Пар используют при температурах до 650 °С, воду —до 375 °С, воздух —до 100 °С (табл. 1.2). Низкотемпературными теплоносителями принято считать такие, температура кипения которых при давлении 0,1 МПа обычно не превышает 0°С. К ним в первую оче­редь относят холодильные агенты. На рис. 1.2 приведены зависимости температур кипения от давления для некоторых из них. Криогенными теплоносителями называют сжиженные газы (кислород, водород, азот, воздух и др.) и их пары. Область их применения лежит ниже—150 °С.

-

Рис. 1.2 Зависимости тем­пературы кипения хлад­агентов от давления

В табл. 1.2 и 1.3 приведены ориентировоч­ные значения рабочих диапазонов давлений, температур и рекомендуемых скоростей дви­жения наиболее распространенных теплоноси­телей в каналах теплообменных аппаратов. Требования, которым должны соответство­вать теплоносители, сводятся к следующему: достаточно высокая температура кипения при атмосферном давлении, большая интенсив­ность теплообмена, термическая стойкость, низкая температура плавления, малая вяз­кость, большие удельная теплоемкость и теп­лота парообразования, слабые коррозионная активность и токсичность, невоспламеняе­мость, взрывобезопасность и невысокая сто­имость.

Допустимые и оптимальные расстояния, на которые может быть осуществлен транспорт теплоты с помощью теплоносителей от ее источника к потребителю, скорость движения и температуры теплоносителя в аппаратах устанавливают в результате технико-экономических рас­четов. При этом учитывают капитальные вложения, которые определя­ются затратами на изготовление элементов системы, проведение строи

тельных работ и монтаж оборудования, а также эксплуатационные затраты, включающие стоимость энергии на прокачку теплоносителя, рас­ходы на ремонт оборудования и зарплату обслуживающего персонала [33].

Приведенные в табл. 1.2, 1.3 ориентировочные значения рабочих диапазонов температур, давлений и скоростей, при которых целесообразно использовать те или иные теплоносители, получены с учетом их свойств на основе технико-экономических расчетов и опыта эксплуата­ции теплотехнологического и теплоэнергетического оборудования. Имен­но этим условиям соответствуют также приведенные в табл. 1.4 ориен­тировочные значения коэффициентов теплоотдачи при движении раз­личных теплоносителей в каналах тепломассообменных аппаратов.

Выполняя подобного рода ана­лиз эффективности системы транс­порта энергии и самой теплоиспользующей установки, их совмест­ной работы и стоимости, включая источник энергии, необходимо пом­нить, что равновеликие потери теп­лоты и затраты мощности на пре­одоление гидравлических сопротив­лений не равны по стоимости. Это следует из качественного отличия теплоты от механической энергии, вытекающего из второго закона тер­модинамики и характеризуемого эксергией [40].

Самыми распространенными теплоносителями являются водяной пар, горячая и холодная вода, топочные и дымовые газы, воздух. В значительной степени это объясняется их доступностью и нетоксичностью.

Расход энергии на транспорт газообразных теплоносителей из-за ма­лой их плотности, низких коэффициентов теплоотдачи, больших массо­вых и особенно объемных расходов значительно выше, чем на транс­порт капельных жидкостей. Поэтому дымовые газы, например, транспортируют не более чем на несколько сотен метров, пар под давлени­ем— на расстояния до десятков километров, воду — на десятки и сотни

к илометров. При высоких давлениях свойства газов и паров, скорости их движения и технико-экономические показатели приближаются к аналогичным характеристикам капельных теплоносителей. Чем выше давление, тем ниже допустимая скорость паров и газов.

Для предотвращения абразивного износа трубопроводов и поверхностей нагрева скорость движения запыленных газовых потоков не должна превышать 10—12 м/с.

Дымовые газы содержат пары воды и хорошо растворяющиеся в ней с образованием кислот оксиды углерода, серы и азота. Поэтому для предотвращения коррозии оборудования их не рекомендуется ох­лаждать ниже температуры точки росы (обычно 125—135°С), при ко­торой начинается конденсация пара.

Если в качестве теплоносителя используют влажный воздух, то на поверхности с отрицательной температурой образуется лед или иней, что снижает интенсивность теплоотдачи.

Температура капельных теплоносителей меняется в теплообменни­ках меньше, чем газообразных сред, вследствие более высокой удель­ной теплоемкости жидкостей. При кипении жидкостей и конденсации чистых паров их температура не меняется. Это обстоятельство сущест­венно облегчает регулирование тепловых процессов.

При необходимости обеспечение более высоких плотностей тепловых потоков, чем при фазовых превращениях, используют химически реаги­рующие -вещества, так как тепловые эффекты реакций примерно на по­рядок выше скрытой теплоты парообразования.

При смешении снега (льда) с солью (NаС1, СаС1₂) и др.) часть снега расплавляется с поглощением теплоты и температура смеси по­нижается. Этим пользуются для охлаждения различных веществ.

Широкое использование воды в качестве теплоносителя в энергети­ке и технологии привело к значительному загрязнению рек и водоемов. Для снижения расхода воды на охлаждение оборудования и технологи­ческой продукции создают замкнутые (оборотные) системы или системы с многократным использованием воды. При высокой стоимости во­ды более экономичными оказываются системы воздушного охлаждения, позволяющие, кроме того, снизить уровень загрязнения рек и водоемов , [78, 81].

Другим способом снижения промышленного потребления воды яв­ляется замена пара и горячей воды высокотемпературными капельны­ми теплоносителями (табл. 1.2). Их температура кипения при атмо­сферном давлении выше, чем воды, таким образом удается обеспечить работу установок под более низким давлением. Органические тепло­носители чаще используют в жидком состоянии. Возможно применение теплотехнологических установок для нагревания или охлаждения различных сред органическими и другими высокотемпературными теплоносителями при изменении их фазового состояния, например дифенильными смесями.

В последние годы в качестве высокотемпературных органических теплоносителей стали применять перполифторэфиры и полифторалкил карбонаты [68]. Многие из них затвердевают при температуре ниже 50 °С и имеют в 1,5—2 раза более высокую, чем вода, температуру ки­ пения. Кроме того, они, так же как масла и парафин, являются гидрофобными, т. е. не смешиваются с водой, но в отличие от них примерно в 1,5 раза тяжелее воды и более устойчивы к загрязнениям. Указанные особенности делают перспективным их применение в контактных теплообменниках, например для обезвреживания сточных вод выпариванием. Их недостатком является высокая стоимости

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды теплоэнергетического и теплотехнологического обо­рудования промышленных предприятий.

2. Чем отличается теплообменный аппарат от массообменного?

3. Что такое теплоноситель?

4. Перечислите известные вам режимы работы теплообменников. . 5. Какие из теплоносителей принято относить к высоко-, средне- и низкотемпе­ратурным?

6. Укажите область работы криогенных теплоносителей.

7. Укажите ориентировочный диапазон скоростей в теплообменных аппаратах для таких теплоносителей, как вода, водяной пар, воздух, дымовые газы.

8. Для каких теплоносителей — газообразных или капельных жидкостей — выше удельные затраты мощности на перемещение в трубах и каналах?

9. В случае каких из перечисленных процессов: кипения, нагревания, конденсации, охлаждения — температура теплоносителя в теплообменнике не изменяется?

10. Перечислите достоинства и недостатки высокотемпературных органических теплоносителей по сравнению с водой.

11. Для какого из перечисленных процессов: конденсации чистого пара, охлажде­ния жидкостью, нагревания газов — коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее значение и для какого наименьшее?

12. Какие из теплоносителей принято называть хладагентами?

13. Перечислите способы снижения расхода воды в промышленности.

Глава вторая

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ